JP2014093796A

JP2014093796A - 電力伝送システム

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Publication number: JP2014093796A
Application number: JP2012241149A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Yamakawa; 博幸山川; Kenichiro Sato; 健一郎佐藤
Original assignee: Equos Research Co Ltd
Current assignee: Equos Research Co Ltd
Priority date: 2012-10-31
Filing date: 2012-10-31
Publication date: 2014-05-19

Abstract

【課題】効率的な電力伝送を行うことが可能な電力伝送システムを提供する。
【解決手段】本発明の電力伝送システムは、送電アンテナ１０５と、前記送電アンテナ１０５と対向配置され、前記送電アンテナ１０５から電磁場を介して電磁気的エネルギーを受電する受電アンテナ２０１と、を有する電力伝送システムであって、前記送電アンテナ１０５は、水平面内において周回する送電側導電体５０５からなり、インダクタンス成分を有する送電コイル５１０と、キャパシタンス成分を有する送電コンデンサ５３０とからなり、前記送電コンデンサ５３０は、前記送電コイル５１０の最内端Ｐにおいて電気接続されることを特徴とする。
【選択図】図６

Description

本発明は、磁気共鳴方式によってワイヤレスで電力の送受を行う電力伝送システムに関する。

近年、電源コードなどを用いることなく、ワイヤレスで電力（電気エネルギー）を伝送する技術の開発が盛んとなっている。ワイヤレスで電力を伝送する方式の中でも、特に注目されている技術として、磁気共鳴方式と呼ばれるものがある。この磁気共鳴方式は２００７年にマサチューセッツ工科大学の研究グループが提案したものであり、これに関連する技術は、例えば、特許文献１（特表２００９−５０１５１０号公報）に開示されている。

磁気共鳴方式のワイヤレス電力伝送システムは、送電側アンテナの共振周波数と、受電側アンテナの共振周波数とを同一とすることで、送電側アンテナから受電側アンテナに対し、効率的にエネルギー伝達を行うものであり、電力伝送距離を数十ｃｍ〜数ｍとすることが可能であることが大きな特徴の一つである。

上記のような磁気共鳴方式のワイヤレス電力伝送システムに用いるアンテナの具体的な構成についてもこれまでいくつか提案がされてきた。例えば、特許文献２（特開２０１０−７４９３７号公報）には、電源から電力を受けて送電を行なう送電コイルから電力を受電する非接触受電装置であって、前記送電コイルから送電された電力を電磁共鳴により受電する受電コイルと、前記受電コイルを内部に収容するコイルケースと、前記コイルケースの外部に配置され、前記受電コイルの共鳴周波数を調整するために前記受電コイルに電気的に接続されるコンデンサとを備える、非接触受電装置が開示されている。
特表２００９−５０１５１０号公報特開２０１０−７４９３７号公報

従来の電力伝送システムで用いられているアンテナにおいては、受電コイルに電気的に接続される調整用のコンデンサは、受電コイルが収容されたコイルケースの外部に配置された構造となっている。

しかしながら、従来の構造における受電コイルと調整用コンデンサとのレイアウトでは必ずしも、効率的な電力伝送を行うことができない、という問題もあった。

上記問題を解決するために、本発明に係る電力伝送システムは、送電アンテナと、前記送電アンテナと対向配置され、前記送電アンテナから電磁場を介して電磁気的エネルギーを受電する受電アンテナと、を有する電力伝送システムであって、前記送電アンテナは、水平面内において周回する送電側導電体からなり、インダクタンス成分を有する送電コイルと、キャパシタンス成分を有する送電コンデンサとからなり、前記送電コンデンサは、前記送電コイルの最内端において電気接続されることを特徴とする。

また、本発明に係る電力伝送システムは、前記受電アンテナは、水平面内において前記送電側導電体と同方向に周回する受電側導電体からなり、インダクタンス成分を有する受電コイルと、キャパシタンス成分を有する受電コンデンサとからなり、前記受電コンデン
サは、前記受電コイルの最外端において電気接続されることを特徴とする。

また、本発明に係る電力伝送システムは、前記受電アンテナは、水平面内において前記送電側導電体と逆方向に周回する受電側導電体からなり、インダクタンス成分を有する受電コイルと、キャパシタンス成分を有する受電コンデンサとからなり、前記受電コンデンサは、前記受電コイルの最内端において電気接続されることを特徴とする。

また、本発明に係る電力伝送システムは、前記受電アンテナが前記受電コイルと前記受電コンデンサとからなる直列共振器であると共に、前記送電アンテナが前記送電コイルと前記送電コンデンサとからなる直列共振器であることを特徴とする。

本発明に係る電力伝送システムは、送電アンテナにおける送電コイルと送電コンデンサのレイアウト、及び、受電アンテナにおける受電コイルと受電コンデンサのレイアウトが最適とされているので、高い伝送効率で電力伝送を行うことが可能となる。

本発明の実施形態に係る電力伝送システムのブロック図である。電力伝送システムのインバーター部を示す図である。本発明の実施形態に係る受電アンテナ２０１の分解斜視図である。本発明の実施形態に係る受電アンテナ２０１による電力伝送の様子を示す断面の模式図である。本発明の実施形態に係る受電アンテナ２０１におけるコンデンサ４００の取り付け構造を説明する図である。本発明の実施形態に係る電力伝送システムに用いる送電アンテナ１０５と受電アンテナ２０１の模式図である。送電アンテナ１０５と受電アンテナ２０１とを近接させたときの送電効率の周波数依存性例を示す図である。第１極値周波数における電流と電界の様子を模式的に示す図である。第２極値周波数における電流と電界の様子を模式的に示す図である。２つの極値を与える極値周波数のうち磁気壁が生じる極値周波数（第１周波数）での特性を示す図である。２つの極値を与える極値周波数のうち電気壁が生じる極値周波数（第２周波数）での特性を示す図である。本発明の他の実施形態に係る電力伝送システムに用いる送電アンテナ１０５と受電アンテナ２０１の模式図である。本発明の実施形態に係る電力伝送システム１００の等価回路を示す図である。

以下、本発明の実施形態を図面を参照しつつ説明する。図１は本発明の実施形態に係るアンテナが用いられる電力伝送システムのブロック図である。なお、本発明に係るアンテナは、電力伝送システムを構成する受電側のアンテナと送電側のアンテナのいずれにも適用可能であるが、以下の実施形態においては主として受電側のアンテナに本発明のアンテナを適用した例につき説明する。

本発明のアンテナが用いられる電力伝送システムとしては、例えば、電気自動車（ＥＶ）やハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）などの車両への充電のためのシステムが想定されている。電力伝送システムは、上記のような車両に対して電力を非接触で伝送するため、当該車両を停車させることが可能な停車スペースに設けられる。車両のユーザーはこの電
力伝送システムが設けられている停車スペースに車両を停車させて、車両に搭載されている受電アンテナ２０１と、前記送電アンテナ１０５とを対向させることによって電力伝送システムからの電力を受電する。

電力伝送システムでは、電力伝送システム１００側の送電アンテナ１０５から、受電側システム２００側の受電アンテナ２０１へ効率的に電力を伝送する際、送電アンテナ１０５の共振周波数と、受電アンテナ２０１の共振周波数とを同一とすることで、送電側アンテナから受電側アンテナに対し、効率的にエネルギー伝達を行うようにする。

電力伝送システム１００におけるＡＣ／ＤＣ変換部１０１は、入力される商用電源を一定の直流に変換するコンバータである。このＡＣ／ＤＣ変換部１０１からの出力は電圧制御部１０２において、所定の電圧に昇圧されたりする。この電圧制御部１０２で生成される電圧の設定は主制御部１１０から制御可能となっている。

インバーター部１０３は、電圧制御部１０２から供給される電圧から所定の交流電圧を生成して、整合器１０４に入力する。図２は電力伝送システムのインバーター部を示す図である。インバーター部１０３は、例えば図２に示すように、フルブリッジ方式で接続されたＱ_A乃至Ｑ_Dからなる４つの電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）によって構成されている。

本実施形態においては、直列接続されたスイッチング素子Ｑ_Aとスイッチング素子Ｑ_Bの間の接続部Ｔ１と、直列接続されたスイッチング素子Ｑ_Cとスイッチング素子Ｑ_Dとの間の接続部Ｔ２との間に整合器１０４が接続される構成となっており、スイッチング素子Ｑ_A
とスイッチング素子Ｑ_Dがオンのとき、スイッチング素子Ｑ_Bとスイッチング素子Ｑ_Cがオ
フとされ、スイッチング素子Ｑ_Bとスイッチング素子Ｑ_Cがオンのとき、スイッチング素子Ｑ_Aとスイッチング素子Ｑ_Dがオフとされることで、接続部Ｔ１と接続部Ｔ２との間に矩形波の交流電圧を発生させる。なお、本実施形態においては、各スイッチング素子のスイッチングによって生成される矩形波の周波数の範囲は数１００ｋＨｚ〜数１０００ｋＨｚ程度である。

上記のようなインバーター部１０３を構成するスイッチング素子Ｑ_A乃至Ｑ_Dに対する駆動信号は主制御部１１０から入力されるようになっている。また、インバーター部１０３を駆動させるための周波数は主制御部１１０から制御することができるようになっている。

整合器１０４は、所定の回路定数を有する受動素子から構成され、インバーター部１０３からの出力が入力される。そして、整合器１０４からの出力は送電アンテナ１０５に供給される。整合器１０４を構成する受動素子の回路定数は、主制御部１１０からの指令に基づいて調整することができるようになっている。主制御部１１０は、送電アンテナ１０５と受電アンテナ２０１とが共振するように整合器１０４に対する指令を行う。

送電アンテナ１０５は、インダクタンス成分を有するコイルから構成されており、対向するようにして配置される車両搭載の受電アンテナ２０１と共鳴することで、送電アンテナ１０５から出力される電気エネルギーを受電アンテナ２０１に送ることができるようになっている。

電力伝送システム１００の主制御部１１０はＣＰＵとＣＰＵ上で動作するプログラムを保持するＲＯＭとＣＰＵのワークエリアであるＲＡＭなどからなる汎用の情報処理部である。この主制御部１１０は、図示されている主制御部１１０と接続される各構成と協働するように動作する。

また、通信部１２０は車両側の通信部２２０と無線通信を行い、車両との間でデータの送受を可能にする構成である。通信部１２０によって受信したデータは主制御部１１０に転送され処理されるようになっている。また、主制御部１１０は所定情報を、通信部１２０を介して車両側に送信することができるようになっている。

次に、車両側に設けられている構成について説明する。車両の受電側のシステムにおいて、受電アンテナ２０１は、送電アンテナ１０５と共鳴することによって、送電アンテナ１０５から出力される電気エネルギーを受電するものである。このような受電アンテナ２０１は、車両の底面部に取り付けられるようになっている。

受電アンテナ２０１で受電された交流電力は、整流部２０２において整流され、整流された電力は充電制御部２０３を通して電池２０４に蓄電されるようになっている。充電制御部２０３は主制御部２１０からの指令に基づいてバッテリー２０５の蓄電を制御する。また、充電制御部２０３は電池２０４の残量管理なども行い得るように構成される。

主制御部２１０はＣＰＵとＣＰＵ上で動作するプログラムを保持するＲＯＭとＣＰＵのワークエリアであるＲＡＭなどからなる汎用の情報処理部である。この主制御部２１０は、図示されている主制御部２１０と接続される各構成と協働するように動作する。

インターフェイス部２３０は、車両の運転席部に設けられ、ユーザー（運転者）に対し所定の情報などを提供したり、或いは、ユーザーからの操作・入力を受け付けたりするものであり、表示装置、ボタン類、タッチパネル、スピーカーなどで構成されるものである。ユーザーによる所定の操作が実行されると、インターフェイス部２３０から操作データとして主制御部２１０に送られ処理される。また、ユーザーに所定の情報を提供する際には、主制御部２１０からインターフェイス部２３０に対して、所定情報を表示するための表示指示データが送信される。

また、車両側の通信部２２０は送電側の通信部１２０と無線通信を行い、送電側のシステムとの間でデータの送受を可能にする構成である。通信部２２０によって受信したデータは主制御部２１０に転送され、また、主制御部２１０は所定情報を通信部２２０を介して送電システム側に送信することができるようになっている。

電力伝送システムで、電力を受電しようとするユーザーは、上記のような送電側のシステムが設けられている停車スペースに車両を停車させ、インターフェイス部２３０から充電を実行する旨の入力を行う。これを受けた主制御部２１０は、充電制御部２０３からのバッテリー２０５の残量を取得し、バッテリー２０５の充電に必要な電力量を算出する。算出された電力量と送電を依頼する旨の情報は、車両側の通信部２２０から送電側のシステムの通信部１２０に送信される。これを受信した送電側システムの主制御部１１０は電圧制御部１０２、インバーター部１０３、整合器１０４を制御することで、車両側に電力を伝送するようになっている。

次に、以上のように構成される電力伝送システム１００で用いるアンテナの具体的な構成について説明する。以下、受電アンテナ２０１に本発明の構成を採用した例について説明するが、本発明のアンテナは送電アンテナ１０５に対しても適用し得るものである。

図３は本発明の実施形態に係る受電アンテナ２０１の分解斜視図である。また、図４は本発明の実施形態に係る受電アンテナ２０１による電力伝送の様子を示す断面の模式図である。なお、以下の実施形態では、コイル体３００として矩形平板状のものを例に説明するが、本発明のアンテナはこのようなこのような形状のコイルに限定されるものではない
。例えば、コイル体３００として円形平板状のものなども利用し得る。

このようなコイル体３００は、受電アンテナ２０１における磁気共鳴アンテナ部として機能する。磁気共鳴アンテナ部は、このコイル体３００のインダクタンス成分のみならず、コンデンサ４００に基づくキャパシタンス成分をも含むものである。「磁気共鳴アンテナ部」は、コイル体２７０のインダクタンス成分のみならず、その浮游容量に基づくキャパシタンス成分、或いは意図的に追加したコンデンサに基づくキャパシタンス成分をも含むものである。

樹脂ケース２６０は、受電アンテナ２０１のインダクタンス成分を有するコイル体３００を収容するために用いられるものである。この樹脂ケース２６０は、例えばポリカーボネートなどの樹脂により構成される開口を有する箱体の形状をなしている。

樹脂ケース２６０の矩形状の底板部２６１の各辺からは側板部２６２が、前記底板部２６１に対して垂直方向に延在するようにして設けられている。そして、樹脂ケース２６０の上方においては、側板部２６２に囲まれるような上方開口部２６３が構成されている。樹脂ケース２６０を車両本体部に取り付けるためには、従来周知の任意の方法を用いることができる。なお、上方開口部２６３の周囲には、車両本体部への取り付け性を向上するために、フランジ部材などを設けるようにしても良い。

コイル体３００は、ガラスエポキシ製の矩形平板状の基材３１０と、この表面側と裏面側に形成されている導電部により構成されている。より具体的には、基材３１０は主面として第１面３１１と、この第１面３１１と表裏の関係にある第２面３１２とを有しており、このうち第１面３１１に渦巻き状の第１面導電部３３０がコイルとして形成されることで、受電アンテナ２０１にインダクタンス成分が付与される。

基材３１０上の第１面３１１において、渦巻き状のコイルを形成する第１面導電部３３０の内周側には第１面最内端部３３１が、また、外周側には第１面最外端部３３２がそれぞれ設けられている。

第１面最内端部３３１においては、第１面３１１と第２面３１２との間を貫通する最内端部貫通孔３３３が、また、第１面最外端部３３２においては、第１面３１１と第２面３１２との間を貫通する最外端部貫通孔３３４が、それぞれ設けられている。

導電線路２４１、導電線路２４２は受電アンテナ２０１と整流部２０２とを電気的に接続するものであり、このうち、導電線路２４１は第１面導電部３３０の第１面最内端部３３１と電気的に接続される。このために、図示するように、導電線路２４１の端子２４３を、第１面最内端部３３１上に配すると共に、基材３１０上の第１面３１１側からネジ２５１を、導電線路２４１の端子２４３の孔部、及び、最内端部貫通孔３３３に挿通し、基材３１０上の第２面３１２側においてナット２５２と螺合させる。これにより、導電線路２４１は第１面最内端部３３１と電気的に導通接続されると共に、機械的に固着される。

一方、第１面最外端部３３２においては、受電アンテナ２０１におけるキャパシタンス成分となるコンデンサ４００が直接的に固着される構成となっている。第１面最外端部３３２におけるコンデンサ４００の固着構造について、図５も参照して説明する。図５は本発明の実施形態に係る受電アンテナ２０１におけるコンデンサ４００の取り付け構造を説明する図である。この図５は、第１面最内端部３３１におけるコンデンサ４００の取り付け断面を模式的に示している。

まず、本発明の実施形態に係る受電アンテナ２０１に好適に用い得るコンデンサ４００
の概略について説明する。

コンデンサ４００を構成する誘電体４０１の一方には金属製の第１接続端子部４０３と導電材料からなる第１薄膜電極４０７が配され、他方には金属製の第２接続端子部４０４と導電材料からなる第２薄膜電極４０８が配されて、これらにより、誘電体４０１をサンドイッチ状に挟むことで容量を確保する。本発明の受電アンテナ２０１においては、誘電体４０１に用いる誘電材料として、酸化チタンが主成分として含まれるもの、或いは、チタン酸バリウムが主成分として含まれるものを用いることが好ましい。これら材料は誘電率が高く、したがって、これらを用いたコンデンサ４００はコンパクトであるにもかかわらずキャパシタンスが高く、受電アンテナ２０１の体積容量を減らすことが可能となる。

また、本発明の受電アンテナ２０１においては、誘電体４０１に用いる誘電材料として、チタン酸マグネシウムが主成分として含まれるもの、或いは、ステアタイト系材料が主成分として含まれるものを用いることも好ましい態様である。このような誘電材料は、誘電率が高く、したがって、これらを用いたコンデンサ４００はコンパクトであるにもかかわらずキャパシタンスが高く、受電アンテナ２０１の体積容量を減らすことが可能となるからである。

コンデンサ４００の一方側に設けられた金属製の第１接続端子部４０３には、第１ネジ孔４０５が設けられている。導電線路２４２の端子２４４を、この第１ネジ孔４０５上に配すると共に、ネジ２５３を、導電線路２４２の端子２４４の孔部、及び、第１ネジ孔４０５に挿通し、螺着させる。これにより、導電線路２４２とコンデンサ４００の一方側の第１接続端子部４０３との電気的導通、及び機械的固着が図られる。

また、コンデンサ４００の他方側に設けられた金属製の第２接続端子部４０４には、第２ネジ孔４０６が設けられている。コンデンサ４００の第２接続端子部４０４を、第１面最外端部３３２上に配するようにし、第２面３１２側から、ネジ２５４を最外端部貫通孔３３４と第２ネジ孔４０６に挿通して、ネジ２５４と第２ネジ孔４０６とを螺着する。これにより、コンデンサ４００の第２接続端子部４０４と、第１面導電部３３０の第１面最外端部３３２とを電気的に導通させると共に、コンデンサ４００と基材３１０とを機械的に固着させる。

上記のように渦巻き状をなす第１面導電部３３０の内周側の第１面最内端部３３１、及び外周側の第１面最外端部３３２には、それぞれ導電線路２４１、導電線路２４２が電気接続される。これにより、受電アンテナ２０１によって受電した電力を整流部２０２へと導けるようになっている。このようなコイル体３００は樹脂ケース２６０の矩形状の底板部２６１上に載置され、適当な固着手段によって底板部２６１上に固着される。

本発明に係るアンテナは、コンデンサ４００は、コイルを形成する第１面導電部３３０の第１面最外端部３３２に固着されているので、このような構成の本発明に係るアンテナによれば、コイルとコンデンサ４００との間の電気接続部におけるリアクタンス成分の変動がなく、また、コイルとコンデンサ４００との間の電気接続部における抵抗成分も実質的にないので、アンテナの特性が安定し、効率的な電力伝送を行うことが可能となる。

コイル体２７０上には、コイル体２７０と第１距離ｄ₁離間されてフェライト基材２８
０が配されている。フェライト基材２８０としては、比抵抗が大きく、透磁率が大きく、磁気ヒステリシスが小さいものが望ましい。フェライト基材２８０は、ケース体２６０に対して適当な手段により固着されることで、コイル体２７０の上方に第１距離ｄ₁の空間
を空けて配されるようになっている。このようなレイアウトにより、送電アンテナ１０５側で発生する磁力線は、フェライト基材２８０を透過する率が高くなり、送電アンテナ１
０５から受電アンテナ２０１への電力伝送において、車両本体部を構成する金属物による磁力線への影響が軽微となる。

また、ケース体２６０の上方開口部２６３においては、前記上方開口部２６３を覆うような矩形平板状のアルミニウム基材２９０が、フェライト基材２８０の上方に第２距離ｄ₂をおいて配されるようになっている。このようなアルミニウム基材２９０に用いる金属
材料としてはアルミニウム以外の金属を用いることも可能である。

本実施形態においては、アルミニウム基材２９０が前記上方開口部２６３を覆うように配されることで、コイル体２７０に対する車両本体金属部の影響を抑制することが可能となり、受信アンテナ２０１のアンテナとしての特性を確定することが可能となる。本実施形態によれば、アンテナの特性が確定しているために、受信アンテナ２０１を取り付ける車種に関わりなく、同様の電力伝送特性を期待することが可能となり、アンテナとしての汎用性が広がることとなる。

また、本実施形態においては、受電アンテナ２０１は上方開口部２６３にある車体取り付け部２６５を利用して車両本体部に取り付けられる。このような車体取り付け部２６５の構造は従来周知のものを適宜用いることができる。なお、上方開口部２６３の周囲には、車両本体部への取り付け性を向上するために、フランジ部材などを設けるようにしても良い。

以上のように本発明のアンテナは、主面を有する絶縁性の基材２７１上に所定の導電部２７２が形成されてなるコイル体２７０と、コイル体２７０上にコイル体２７０と第１距離ｄ₁離間されて配されるフェライト基材２８０と、フェライト基材２８０上にフェライ
ト基材２８０と第２距離ｄ₂離間されて配されるアルミニウム基材２９０と、アルミニウ
ム基材２９０上に配される車体取り付け部２６５と、を有している。

ところで、本実施形態では、図４に示すように、受電アンテナ２０１においては、コンデンサ４００を、コイルを形成する第１面導電部３３０の第１面最内端部３３１に固着させるのではなく、コンデンサ４００は、第１面導電部３３０の第１面最外端部３３２に固着するようにしている。

逆に、送電アンテナ１０５においては、コンデンサ４００は、第１面導電部３３０の第１面最内端部３３１に固着させるようにし、第１面導電部３３０の第１面最外端部３３２に固着するようにしていない。

ここで、本実施形態に係る送電アンテナ１０５と受電アンテナ２０１の概要を模式的に図６を参照して説明する。図６は本発明の実施形態に係る電力伝送システムに用いる送電アンテナ１０５と受電アンテナ２０１の模式図である。

送電アンテナ１０５は、模式的にみると、水平面内において周回する送電側導電体５０５からなり、インダクタンス成分を有する送電コイル５１０と、キャパシタンス成分を有する送電コンデンサ５３０とからなり、送電コンデンサ５３０は、送電コイル５１０の最内端（P）において電気接続されることを特徴としている。

また、受電アンテナ２０１は、模式的にみると、水平面内において送電側導電体５０５と同方向に周回する受電側導電体６０５からなり、インダクタンス成分を有する受電コイル６１０と、キャパシタンス成分を有する受電コンデンサ６３０とからなり、受電コンデンサ６３０は、受電コイル６１０の最外端（Q）において電気接続されることを特徴とし
ている。

ところで、送電アンテナ１０５においては、水平面内で送電側導電体５０５が送電コイル５１０を形成するために、最内端Pから最外端Qまで周回する際、「反時計回り」となる。

一方、受電アンテナ２０１においても、水平面内で受電側導電体６０５が受電コイル６１０を形成するために、最内端Pから最外端Qまで周回する際、「反時計回り」となる。

なお、本明細書においては、「時計回り」、「反時計回り」は、紙面を表からみたときの、コイルが周回する方向として定義する。

本実施形態においては、これらをもって、水平面内において送電側導電体５０５と受電側導電体６０５とが同方向に周回することと定義している。

本発明に係る電力伝送システム１００においては、上記のような送電コイル５１０と送電コンデンサ５３０のレイアウトからなる送電アンテナ１０５と、受電コイル６１０と受電コンデンサ６３０のレイアウトからなる受電アンテナ２０１とを用いて、電気壁が生じる周波数で電力伝送を実行すると、高い伝送効率で電力伝送を実行することを実験的に見いだした。

以上のように、本発明に係る電力伝送システムは、送電アンテナ１０５における送電コイル５１０と送電コンデンサ５３０のレイアウト、及び、受電アンテナ２０１における受電コイル６１０と受電コンデンサ６３０のレイアウトが最適とされているので、高い伝送効率で電力伝送を行うことが可能となる。

次に、磁気共鳴方式のワイヤレス電力伝送システムにおける磁気壁を生じる第１極値周波数ｆ_m、及び、電気壁を生じる第２極値周波数ｆ_eについて説明する。

磁気共鳴方式のワイヤレス電力伝送システムにおいては、図７に示すように、第１極値周波数ｆ_m、第２極値周波数ｆ_eの２つがあるが、電力伝送を行うときには、これらのいずれかの周波数でこれを行うことが好ましい。特に、好ましいのは、上記のような送電アンテナ１０５と受電アンテナ２０１のレイアウトに基づき、電気壁を生じる第２極値周波数ｆ_eによって電力伝送を実行する場合である。

図８は第１極値周波数における電流と電界の様子を模式的に示す図である。第１極値周波数においては、送電アンテナ１０５のコイルに流れる電流と、受電アンテナ２０１のコイルに流れる電流とで位相が略等しくなり、磁界ベクトルが揃う位置が送電アンテナ１０５のコイルや受電アンテナ２０１のコイルの中央部付近となる。この状態を、送電アンテナ１０５と受電アンテナ２０１との間の対称面に対して磁界の向きが垂直となる「磁気壁」が生じているものとして考える。

また、図９は第２極値周波数における電流と電界の様子を模式的に示す図である。第２極値周波数においては、送電アンテナ１０５のコイルに流れる電流と、受電アンテナ２０１のコイルに流れる電流とで位相がほぼ逆となり、磁界ベクトルが揃う位置が送電アンテナ１０５のコイルや受電アンテナ２０１のコイルの対称面付近となる。この状態を、送電アンテナ１０５と受電アンテナ２０１との間の対称面に対して磁界の向きが水平となる「電気壁」が生じているものとして考える。

なお、以上のような電気壁や磁気壁などの概念に関しては、居村岳広、堀洋一「電磁界共振結合による伝送技術」ＩＥＥＪＪｏｕｒｎａｌ，Ｖｏｌ．１２９，Ｎｏ．７，２０
０９、或いは、居村岳広、岡部浩之、内田利之、堀洋一「等価回路から見た非接触電力伝送の磁界結合と電界結合に関する研究」ＩＥＥＪＴｒａｎｓ．ＩＡ，Ｖｏｌ．１３０，Ｎｏ．１，２０１０などに記載されているものを本明細書においては準用している。

図１０は２つの極値を与える極値周波数のうち磁気壁が生じる極値周波数（第１周波数）での特性を示す図である。図１０（Ａ）は電池２０４（負荷）の負荷変化変動に伴う送電側の電圧（Ｖ₁）、電流（Ｉ₁）の変動の様子を示す図であり、図１０（Ｂ）は電池２０４（負荷）の負荷変化変動に伴う受電側の電圧（Ｖ_B）、電流（Ｉ_B）の変動の様子を示す図である。図１０に示すような特性によれば、受電側で電池２０４（負荷）の負荷増大と共に、電圧が増大する特性があることがわかる。

以上のような磁気壁が生じる周波数においては、電池２０４側からみて受電アンテナ２０１が定電流源として見えるものである。このような受電アンテナ２０１が定電流源のように動作する周波数で、電力伝送を行った場合に、仮に負荷側である電池２０４などの不具合により緊急停止が起きたとすると、受電アンテナ２０１の両端部の電圧が上昇してしまうこととなる。

一方、図１１は２つの極値を与える極値周波数のうち電気壁が生じる極値周波数（第２周波数）での特性を示す図である。図１１（Ａ）は電池２０４（負荷）の負荷変化変動に伴う送電側の電圧（Ｖ₁）、電流（Ｉ₁）の変動の様子を示す図であり、図１１（Ｂ）は電池２０４（負荷）の負荷変化変動に伴う受電側の電圧（Ｖ_B）、電流（Ｉ_B）の変動の様子を示す図である。図１１に示すような特性によれば、受電側で電池２０４（負荷）の負荷増大と共に、電流が減少する特性があることがわかる。

以上のような電気壁が生じる周波数においては、電池２０４側からみて受電アンテナ２０１が定電圧源として見えるものである。このような受電アンテナ２０１が定電圧源のように動作する周波数で、電力伝送を行った場合に、仮に負荷側である電池２０４などの不具合により緊急停止が起きたとしても、受電アンテナ２０１の両端部の電圧が上昇することはない。したがって、本発明に係る電力伝送システムによれば、負荷が急激に低下した際に電圧が高圧になることがなく、安定して電力伝送を行うことが可能となるのである。

図１０の特性においては、受電側の電池２０４（負荷）にとっては、充電回路が電流源として見えることとなり、図１１の特性においては、受電側の電池２０４（負荷）にとっては、充電回路が電圧源として見えることとなる。負荷が増大することに伴い、電流が減少する図１１に示す特性の方が、電池２０４（負荷）にとっては好ましいので、本実施形態においては、第１極値周波数、第２極値周波数の２つがある場合については、送電アンテナ１０５と受電アンテナ２０１との間の対称面に電気壁が生じる極値周波数を選定するようにしている。

また、２つの極値を与える周波数が２つある場合に、送電アンテナ１０５と受電アンテナ２０１との間の対称面に電気壁が生じる極値周波数を選定すると、電池２０４（負荷）にとって、充電回路が電圧源として見えるので、充電制御により電池２０４への出力が変動した際にインバーター部１０３の出力も伴って増減するために扱いやすい、というメリットがある。また、受電側の充電制御部２０３が緊急停止した際にも供給電力も自動的に最小化するため無駄な装置も必要ない。

また、２つの極値を与える周波数が２つある場合に、送電アンテナ１０５と受電アンテナ２０１との間の対称面に電気壁が生じる極値周波数を選定すると、受電側の充電制御部２０３からみて受電側の整流部２０２が電圧源として見えるので、充電制御により電池２０４への出力が変動した際に送電側の電圧制御部１０２の出力も伴って増減するために扱
いやすい、というメリットがある。

これに対して、２つの極値を与える周波数が２つある場合に、送電アンテナ１０５と受電アンテナ２０１との間の対称面に磁気壁が生じる極値周波数を選定すると、受電側の充電制御部２０３が出力を小さくした際に伴って供給電圧を制御する必要がありそのための通信手段や検知手段が必要となり、コストがかかることとなる。

次に本発明の他の実施形態について説明する。図１２は本発明の実施形態に係る電力伝送システムに用いる送電アンテナ１０５と受電アンテナ２０１の模式図である。

また、受電アンテナ２０１は、模式的にみると、水平面内において送電側導電体５０５と逆方向に周回する受電側導電体６０５からなり、インダクタンス成分を有する受電コイル６１０と、キャパシタンス成分を有する受電コンデンサ６３０とからなり、受電コンデンサ６３０は、受電コイル６１０の最内端（Ｐ）において電気接続されることを特徴としている。

これに対して、受電アンテナ２０１においては、水平面内で受電側導電体６０５が受電コイル６１０を形成するために、最内端Pから最外端Qまで周回する際、「時計回り」となる。

本実施形態においては、これらをもって、水平面内において送電側導電体５０５と受電側導電体６０５とが逆方向に周回することと定義している。

他の実施形態に係る電力伝送システム１００においては、上記のような送電コイル５１０と送電コンデンサ５３０のレイアウトからなる送電アンテナ１０５と、受電コイル６１０と受電コンデンサ６３０のレイアウトからなる受電アンテナ２０１とを用いて、電気壁が生じる周波数で電力伝送を実行すると、高い伝送効率で電力伝送を実行することを実験的に見いだした。

次ぎに、以上のように構成される送電アンテナ１０５・受電アンテナ２０１それぞれの回路定数（インダクタンス成分、キャパシタンス成分）について説明する。図１３は本発明の実施形態に係る電力伝送システム１００の等価回路を示す図である。

図１３に示す等価回路において、送電アンテナ１０５のインダクタンス成分がＬ₁、キ
ャパシタンス成分がＣ₁、抵抗成分がＲt₁であり、受電アンテナ２０１のインダクタンス
成分がＬ₂、キャパシタンス成分がＣ₂、抵抗成分がＲt₂であり、送電アンテナ１０５と受
電アンテナ２０１との間の相互インダクタンスがＭであることを示している。また、Ｒは電池２０４の内部抵抗を示している。また、送電アンテナ１０５と受電アンテナ２０１との間の結合係数はｋによって示される。

また、本実施形態においては、送電アンテナ１０５は、インダクタンス成分Ｌ₁、キャ
パシタンス成分Ｃ₁である直列共振器を、また、受電アンテナ２０１は、インダクタンス
成分Ｌ₂、キャパシタンス成分Ｃ₂である直列共振器を構成するものと考えている。

まず、磁気共鳴方式の電力伝送では、電力伝送システム１００側の送電アンテナ１０５から、受電側システム２００側の受電アンテナ２０１へ効率的に電力を伝送する際、送電アンテナ１０５の共振周波数と、受電アンテナ２０１の共振周波数とを同一とすることで、送電側アンテナから受電側アンテナに対し、効率的にエネルギー伝達を行うようにしている。このための条件は、下式（１）によって表すことができる。

これを、インダクタンス成分がＬ₁、キャパシタンス成分がＣ₁、インダクタンス成分がＬ₂、キャパシタンス成分がＣ₂のみの関係で示すと、下式（２）に要約することができる。

また、送電アンテナ１０５のインピーダンスは下式（３）により、また、受電アンテナ２０１のインピーダンスは下式（４）により、表すことができる。なお、本明細書においては、下式（３）及び下式（４）によって定義される値をそれぞれのアンテナのインピーダンスとして定義する。

磁気共鳴方式の電力伝送システム１００の受電側システムにおいて、電池２０４が定電圧充電モードに移行すると、電池２０４の電圧が一定なので、充電電力によって入力インピーダンスが変化する。電池２０４への充電電力が大きければ入力インピーダンスは低く、充電電力が小さければ入力インピーダンスは高くなる。受電側における受電アンテナ２０１は、効率の面から、電池２０４の充電電力に応じた入力インピーダンスに近いインピーダンスに設定することが望ましい。

一方、送電側における電源から見た送電アンテナ１０５への入力インピーダンスは、効率の面から高ければ高いほどよい。これは電源の内部抵抗分により電流の２乗比例でロスが発生するためである。

以上のことから、（３）式で示される送電アンテナ１０５のインピーダンスと、（４）式で示される受電アンテナ２０１のインピーダンスとの間には、下式（５）の関係が満たされることが望ましい。

これを、インダクタンス成分がＬ₁、キャパシタンス成分がＣ₁、インダクタンス成分がＬ₂、キャパシタンス成分がＣ₂のみの関係で示すと、下式（６）に要約することができる。

以上のように、本発明に係る電力伝送システム１００においては、送電アンテナ１０５の回路定数と、受電アンテナ２０１の回路定数とが上記の式（２）及び式（６）を満たすようにされているために、受電側システムで電池２０４の充電を行う場合に、効率的な電力伝送を行うことが可能となる。

送電アンテナ１０５の回路定数と、受電アンテナ２０１の回路定数におけるインダクタンス成分の観点から、上記の式（２）及び式（６）のような各関係を成立させるためには、基材２７１上に形成される渦巻き状の導電部２７２の寸法、レイアウト、及び、磁性体など補助部材の調整を行うことを挙げることができる。

より具体的には、図３に示す導電部２７２のパターンで説明すると、送電アンテナ１０５の導電部２７２の長辺、短辺のいずれか、あるいは両方を受電アンテナ２０１のそれらよりも大きくして導電部２７２の全長を長くする、或いは、送電アンテナ１０５の導電部２７２の巻き数を受電アンテナ２０１のそれよりも多くする、送電アンテナ１０５の適所にフェライト等の磁性体を追加する、等が考えられる。

さらに、送電アンテナ１０５のインピーダンスと受電アンテナ２０１のインピーダンスと電池２０４の内部インピーダンスとの関係についても言及する。

受電側システムにおいて、電池２０４に対して効率的に充電が行える条件として、受電アンテナ２０１のインピーダンスと、電池２０４のインピーダンスとが整合していることを挙げることができる。

すなわち、本実施形態では、式（２）及び式（６）の条件に加えて、さらに、式（４）の受電アンテナ２０１のインピーダンスと電池２０４のインピーダンスRとの間に、

の関係を持たせることで、受電側システムで電池２０４の充電を行う場合、システム全体として、効率的な電力伝送を行うことを可能とすることができる。

１００・・・電力伝送システム
１０１・・・ＡＣ／ＤＣ変換部
１０２・・・電圧制御部
１０３・・・インバーター部
１０４・・・整合器
１０５・・・送電アンテナ
１１０・・・主制御部
１２０・・・通信部
２０１・・・受電アンテナ
２０２・・・整流部
２０３・・・充電制御部
２０４・・・電池
２１０・・・主制御部
２２０・・・通信部
２３０・・・インターフェイス部
２４１・・・導電線路、
２４２・・・導電線路、
２４３・・・端子、
２４４・・・端子、
２５１・・・ネジ、
２５２・・・ナット、
２５３・・・ネジ、
２５４・・・ネジ、
２６０・・・樹脂ケース
２６１・・・底板部
２６２・・・側板部
２６３・・・上方開口部
２８０・・・磁性シールド
２９０・・・アルミニウム基材
３００・・・コイル体
３１０・・・基材
３１１・・・第１面
３１２・・・第２面
３１３・・・中間層
３３０・・・第１面導電部
３３１・・・第１面最内端部
３３２・・・第１面最外端部
３３３・・・最内端部貫通孔、
３３４・・・最外端部貫通孔、
４００・・・コンデンサ
４０１・・・誘電体
４０３・・・第１接続端子部
４０４・・・第２接続端子部
４０５・・・第１ネジ孔
４０６・・・第２ネジ孔
４０７・・・第１薄膜電極
４０８・・・第２薄膜電極
５０５・・・送電側導電体
５１０・・・送電コイル
５３０・・・送電コンデンサ
６０５・・・受電側導電体
６１０・・・受電コイル
６３０・・・受電コンデンサ

Claims

送電アンテナと、
前記送電アンテナと対向配置され、前記送電アンテナから電磁場を介して電磁気的エネルギーを受電する受電アンテナと、を有する電力伝送システムであって、
前記送電アンテナは、水平面内において周回する送電側導電体からなり、インダクタンス成分を有する送電コイルと、キャパシタンス成分を有する送電コンデンサとからなり、
前記送電コンデンサは、前記送電コイルの最内端において電気接続されることを特徴とする電力伝送システム。
前記受電アンテナは、水平面内において前記送電側導電体と同方向に周回する受電側導電体からなり、インダクタンス成分を有する受電コイルと、キャパシタンス成分を有する受電コンデンサとからなり、
前記受電コンデンサは、前記受電コイルの最外端において電気接続されることを特徴とする請求項１に記載の電力伝送システム。
前記受電アンテナは、水平面内において前記送電側導電体と逆方向に周回する受電側導電体からなり、インダクタンス成分を有する受電コイルと、キャパシタンス成分を有する受電コンデンサとからなり、
前記受電コンデンサは、前記受電コイルの最内端において電気接続されることを特徴とする請求項１に記載の電力伝送システム。
前記受電アンテナが前記受電コイルと前記受電コンデンサとからなる直列共振器であると共に、前記送電アンテナが前記送電コイルと前記送電コンデンサとからなる直列共振器であることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の電力伝送システム。